如何确保电动交通平台的电路保护、高速数据和电源转换

作者:Jeff Shepard

投稿人:Digi-Key 北美编辑

电动交通和运输系统对可靠的电路保护、高速通信和紧凑电源转换解决方案在一系列平台上的需求正在增长,包括混合动力和电动汽车、公共汽车、中型和重型公路和非公路车辆以及海洋平台。随着运输业向更多的自主控制和电动汽车 (EV) 或混合动力汽车 (HEV) 过渡,对可持续性和安全性的重视不断提高,从而推动了这些趋势。因此,新的车辆系统正在出现,逐渐变得更加依赖安全和可持续的车辆运行。

为了确保安全性和可靠性,联网、电动和自动驾驶汽车的设计者需要各种各样的电路保护以及通信和电源转换解决方案,这些解决方案为在具有挑战性的环境中可靠运行而设计,并经过认证以满足 AEC-Q200、SAE、USCAR 和其他性能标准。

本文简要回顾了设计者需要注意的一些电路保护装置规格。然后介绍了 Bel Fuse 的具体电路保护、连接和电源转换解决方案,并研究了这些产品在电动交通系统中的应用。

电动车保护组件和标准

为了应对围绕电动汽车的挑战,设计人员可以利用一系列具有通过汽车级标准鉴定和认证的电路保护、高速通信和电源转换解决方案,包括:

  • 通过汽车级标准鉴定的保险丝有插装式、PC 板安装式(通孔和表面贴装)和偏置螺栓配置,为动力系统和子系统进行了优化,另外还有用于辅助应用和附件的保险丝,如驾驶辅助雷达系统、制动泵电机、便携式充电器、电池系统、信息娱乐系统、摄像头、可编程照明和动力辅助转向系统等。此外,特定的应用将需要高浪涌、快速作用、慢跳断和可恢复的聚合正温度系数 (PPTC) 保险。
  • 符合 AEC-Q200 标准的电磁干扰 (EMI) 抑制扼流圈,为构成 ADAS 和导航系统、多媒体系统、车联网 (V2X) 集群以及天线的众多传感器子系统过滤噪声和保护高速数据信号,并为汽车以太网、控制器区域网络 (CAN) 总线、FlexRay和汽车通用串行总线 (USB) 提供差分噪声抑制。
  • 完全屏蔽的 RJ45 连接器符合汽车工程师学会 (SAE) USCAR2-6(汽车电气连接器系统性能规范--第 6 版),让设计者能用更快更轻的汽车以太网取代 CAN 总线,以支持一系列 ADAS 系统不断增长的车载计算需求,如驾驶辅助摄像头和基于雷达的驾驶辅助系统,以及远程信息处理、媒体转换器和网关。
  • IP67 认证电源转换器(包括通过汽车级标准鉴定的电动和混合动力汽车电池充电器)采用具有电隔离的对流或液冷实施方案。

选择电路保护装置

要选择合适装置,在指定电动交通系统的电路保护装置时,清楚了解其工作特性是很重要的。一些基本规格包括:

  • 额定电压:安全工作所允许的最大电压
  • 额定电流:保险丝在正常工作条件下所能承载的电流,单位为安培 (A)
  • 分断能力(也称为分断额定值或短路额定值):保险丝在其额定电压下能够分断而不被损坏的最大电流;分断能力必须达到或超过电路的预期最大故障电流
  • 时间电流曲线:定义保险丝是快断还是慢断(也称为延时动作);快速保险丝用于保护速度至关重要的场合;慢速保险丝用于会出现短暂电流激增或过载的应用场合

I2t:一个没有测试标准的规范

一个值得特别注意的规格是名义熔化等级,I2t(发音为“I 平方 T”)。这是衡量保险丝元件熔化所需能量的指标,这是任何应用中的一个重要保险丝特性。I2t 表示为“安培平方秒”(A2秒)。对设计人员来说,不幸的是,UL/CSA 248 或 IEC127 微型和小型保险丝标准都没有包括 I2t 的测试程序或测试标准。I2t 的工业标准定义是:

使用恒定直流电 (DC) 在 10In 处测得熔断 I2t,其中 ln 是保险丝的额定电流。

使用 10In 可能会有问题,并不总是能得出准确的开路时间。尤其是慢速保险丝,可能需要高于 10 倍额定电流的倍数才能得出真正的 I2t 值。由于不同制造商处理这一难题的方式不同,因此设计人员必须清楚了解用于得出特定保险丝 I2t 值的方法。这里有关于这些挑战的更详细讨论:I2t 释疑

快断和慢断片式保险丝

汽车导航系统、锂离子 (Li-ion) 电池管理系统 (BMS)、LED大灯、汽车以太网供电 (PoE)、PoE+和液晶显示器 (LCD) 的设计者都可以使用基于厚膜技术的表面贴装片式保险丝获益,例如 0685P 系列快速保险丝。0685P 系列具有高浪涌电流承受能力。这些符合 AEC-Q200 标准并经 UL 认证的 1206 规格保险丝的额定电流为 2 A 至 50 A,额定电压(伏特)为交流 (AC) 50 伏和直流 63 伏。0685P3000-01 型的额定电流为 6 A,10In 额定 I2t 为 1.3 A2秒。

对于需要慢速熔断的设计人员,Bel 提供 C1T 系列 1206 尺寸片式保险丝(图 1)。这些产品的电流容量从 750 毫安 (mA) 到 8 A,额定电压为交流或直流 63 伏。0685T6000-01 型的额定电流为 6.0 A,10In 额定 I2t 为 6.0 A2秒。C1T 系列慢速保险丝通过了 UL、CSA 和 CE 认证,并带有 IEC 60127 小型保险丝 TUV 认证。

Bel Fuse 慢断 C1T 系列片式保险丝的图片图 1:像慢断 C1T系列这样的片式保险丝用于各种汽车应用,在这些应用中,紧凑的外形尺寸非常重要。(图片来源:Bel Fuse)

可恢复的 PPTC 器件

如果设计能够因可复位电路保护的极低工作电阻和极高保持电流而受益,就可以使用 PPTC 器件。PPTC 无论是在电动门锁、后视镜、座椅、天窗和车窗的电机和电机电路保护,还是加热通风和空调 (HVAC) 系统和电子控制单元 (ECU) I/O 保护等应用中都特别有用。

Bel 提供了两个 PPTC 器件系列。两者都符合 AEC-Q 标准,通过了 EN/IEC 60738-1-1 和 EN/IEC 60730-1 的 TUV 认证,并获得 UL1434 的认可。

  • 0ZRS 径向引线式 PPTC 的额定电流为 500 mA 至 10 A,最大电压为 32 VDC,典型额定功率为 0.9 至 7.0 W(图 2)。例如,0ZRS0100FF1E 的跳断电流为 1.9 A,保持电流 1.0 A,额定功率 1.4 W。
  • 0ZCG 表面贴装 PPTC 的额定电流为 100 mA 至 3 A,最大电压为直流 6 至 60 伏,典型额定功率为 0.8 至 1.3 W。该系列的 0ZCG0110BF2B 器件额定电压为直流 24 伏,保持电流 1.1 A,跳断电流为 2.2 A,额定功率 1 W。

Bel Fuse OZRS 径向引线式 PPTC 的图片图 2:OZRS 径向引线式 PPTC 的额定电压为直流 32 伏,最大电流为 10 A。(图片来源:Bel Fuse)

浪涌电流耐受保险丝

0680L 系列方型 2410 封装尺寸的表面贴装陶瓷保险丝具有较高的浪涌电流承受能力(表 1)。这些慢速保险丝是为需要高直流断路等级和高直流电压等级的应用设计的。它们的额定电压最高可达直流或交流 125 伏,提供 375 mA 至 12 A 的额定电流。0680L 保险丝符合 AEC-Q 标准。

测试电流 跳断时间
最小 最大
100% 4 小时 不适用
200% 不适用 120 秒
300% 0.15 秒 3 秒
800% 0.01 秒 0.1秒

表 1:0680L 系列表面贴装慢速保险丝的电气特性。(图片来源:Bel Fuse)

这些慢速保险丝通常用于 PoE、PoE+、电源和电池充电电路保护;0680L3000-05 的额定电流为 3 A 和 0.81 W,10In 时 I2t 额定 13 A2秒。

快速电动车电源保险丝

设计师可以采用插装式和螺栓式配置的快速保险丝来保护大功率电池和电动汽车电源转换器。这些保险丝完全符合欧盟指令 2011/65/EU 和修订指令 2015/863 的规定。它们的设计符合 UL 248-1 以及 JASO D622 和 ISO8820-8 的可靠性要求。典型应用包括:

  • 主系统保险
  • 充电站
  • 储能和电池组
  • 配电单元
  • 板载 DC-DC 转换器
  • 制动泵电机
  • 空调压缩机电机
  • 电动转向系统

它们可以处理高达 600 A 的电流,其额定电压为直流 500 至 1000 伏;0ADAC0600-BE 是一个典型的盒式保险丝,额定 600 mA 和 600 VDC 或 VAC,10In I2t 额定 0.073 A2秒。

电动汽车时滞保险丝

0697W 系列超小型径向引线时滞保险丝的额定电压为交流 350 伏或直流 72 伏,额定电流为 1 A 至 6 A,符合 IEC 60127-3 标准(图 3)。这些保险丝符合 AEC-Q 质量和 Mil-Std 202G 环境标准。

Bel Fuse 0697W 系列保险丝的图片图 3:0697W 系列是符合 AEC-Q 标准的径向引线高电压时滞保险丝。(图片来源:Bel Fuse)

0697W 设备的应用包括 ECU、电机、气候和通风控制、插头和点烟器配件、电源插座和线束。例如,0697W2000-02 额定 2 A 和 0.63 W,10In 时 I2t 额定 30 A2秒。

用于高速通信的共模扼流圈

使用以太网、CAN 总线、FlexRay 或 USB 通信总线的汽车信息娱乐、多媒体和 ADAS 系统的设计人员可以采用 Signal TransformerSPDL 系列 AEC-Q200 认证超紧凑共模扼流圈,以抑制差模噪声(图 4)。这些紧凑的表面贴装器件 (SMD) 扼流圈提供四种公制尺寸(2012、3216、3225 和 4532)以及 26 种不同的元件额定。SPDL 系列的额定电流范围为 150 至 400 mA,阻抗范围 90 至 2200 欧姆 (Ω)。SPDL3225-101-2P-T 型的额定 150 mA,2200 Ω,电感量为 100 微亨 (µH)。

Signal Transformer SPDL 系列超紧凑 SMD 共模扼流圈的图片图 4:SPDL 系列超紧凑 SMD 共模扼流圈可用于以太网、CAN 总线、FlexRay 或 USB 通信接口。(图片来源:Signal Transformer)

升级到以太网

由于其更快的传输速率和更轻的电缆,在越来越多的电动交通应用中,设计者正在用以太网取代 CAN 总线。Bel Fuse MagJack 汽车以太网单端口集成连接器模块 (ICM) 将以太网磁解决方案集成到连接器封装中。这可以得到一个更紧凑的解决方案,并简化用以太网信号和布线方式升级现有 CAN 总线系统的任务(图 5)。MagJack 以太网 ICM 的最高工作温度可达 100℃,与 SAE/USCAR2-6 兼容。这些 ICM 得到了 Broadcom、Intel 和 Marvell 的认可,并与标准的汽车级收发器兼容,进一步简化了向以太网的转换。

Bel Fuse MagJack 汽车以太网单端口 ICM 的图片图 5:MagJack 汽车以太网单端口 ICM 具有集成的磁性,以满足紧凑型解决方案的需要。(图片来源:Bel Fuse)

比如 A829-1J1T-KM 汽车以太网 ICM,它满足所有 IEEE 802.3 10/100Base-T 电气要求。

HEV 和 EV 的电源转换

Bel Power Solutions 为设计者提供了完整的电动交通电源转换选项,包括 DC-DC 转换器、双向 DC-DC 转换器、车载充电器、辅助逆变器以及将双向逆变器充电器与两个 DC-DC 下行转换器整合在一起的逆变器充电器系统。例如,22 千瓦 (kW) 的 BCL25-700-8 是一款液冷车载电池充电器,用于公路和非公路作业中型和重型平台的 HEV 和 EV(图 6)。BCL25-700-8 的特性和规格包括:

  • 单相(交流 190 至 264 伏)或三相(交流 330 至 528 伏)输入
  • 可以连接到交流电网电源或电动汽车供电设备 (EVSE) 充电站 (EV Std.IEC 61851-1)
  • 在 250 至 800 伏直流电压范围内,恒定输出电流为 60A
  • 最多可以有四个单元并联放置
  • 符合 IP67 和 IP6K9K 标准
  • IEC 61851-21-1 和 ECE R10.6 认证
  • 符合 SAE J1939 标准的 SAE J1772 和 CAN 接口
  • 有源高压直流联锁监测
  • 满负荷工作温度 -40 至 60℃
  • 超温、过流和输出过压保护

Bel Fuse BCL25-700-8 的图片,这是一款 22 kW 车载液冷电池充电器图 6:BCL25-700-8 是一款 22 kW 车载液冷电池充电器,用于公路和非公路作业中型和重型应用的 HEV 和 EV。(图片来源:Bel Fuse)

结语

要支持下一代联网、电动且日益自动化的车辆的安全和可持续性要求,将需要各种各样的电路保护、通信和电源转换解决方案。如图所示,设计人员可以方便获得各种解决方案,包括通过汽车级标准鉴定的电路保护装置、符合 AEC-Q200 标准的 EMI 抑制扼流圈、符合 SAE/USCAR2-6 标准的全屏蔽 RJ45 以太网连接器以及 IP67 认证的电源转换器。这些将帮助 HEV 和 EV 设计者应对随着自主设计发展而出现的许多当前和新兴设计挑战。

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关于此作者

Jeff Shepard

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间,他开始了电力电子写作。后来,他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志,再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时,Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net,专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者,该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人,这是一家高功率开关电源制造商,后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家,其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利,同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。

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